Bild 2: Auch in der Automobilindustrie werden inzwischen biobasierte Werkstoffe für verschiedenste Bauteilkomponenten eingesetzt. (Bild: Muenchbach – stock.adobe.com)
Wenn es um Zukunftsthemen wie die Nachhaltigkeit in der Wertschöpfungskette geht, stehen die Gesamtprodukte genauso im Fokus wie die einzelnen Bauteilkomponenten und deren Verbindung. Doch mit Blick auf den zunehmenden Einsatz von Biokunststoffen in Hochleistungsprodukten müssen die Verbindungen für diese Werkstoffe neu betrachtet und optimiert ausgelegt werden. Arnold Umformtechnik aus Forchtenberg-Ernsbach hat sich diesem Thema gestellt. In einem gemeinsamen Projekt mit Bond-Laminates wurde untersucht, ob die gewindeformende Schraube Remform II HS (High Strength) für den Einsatz in biobasierten Verbundwerkstoffen geeignet ist. Die Remform II HS ist eine gewindeformende Schraube mit einem verrundeten Gewindeprofil, die speziell für Anwendungen in Hochleistungskunststoffen konzipiert wurde. Sie wird eingesetzt, wenn eine hohe Vorspannkraft und eine hohe Lösesicherheit gefordert sind.
Warum der Gewindekern der Schraube optimiert werden muss
Konstruktiv zeichnet sich die Remform II HS durch ein asymmetrisches Gewindeprofil mit abgerundeter Flankenspitze und gewölbter Lastflanke aus. Diese Geometrie ist an die Fließeigenschaften von Kunststoff angepasst und ermöglicht eine schonende Materialverdrängung. Zudem hat die Schraube einen optimierten, vergrößerten Gewindekern, der sowohl das Bruchmoment, also auch die Zugbruchkraft der Schraube deutlich erhöht. Dies führt zu einer stabileren Verbindung der Fügepartner, lässt aber auch bei hochfesten Kunststoffen ein höheres Montagedrehmoment zu, ohne das Risiko eines Schraubenbruchs. Durch die Kombination aus Radiusprofil und steiler Lastflanke fließt das Kunststoffmaterial beim Einschrauben zur Lastflanke und sorgt für eine sehr gute Flankenüberdeckung. Durch die Reduzierung des Lastflankenwinkels auf 10° werden die Radialspannungen erheblich reduziert. So wird trotz der hohen Gewindeüberdeckung ein niedriges Einschraubmoment erzeugt und durch die geringere Radialdehnung die Rissgefahr im Kunststoff reduziert.
Welche Faktoren beeinflussen die Verschraubung?
Um Schraubverbindungen verlässlich auszulegen und zu prüfen, ist es wichtig, die Faktoren zu kennen, die Einfluss auf die Verbindung haben. Das gilt insbesondere dann, wenn Grundsatzuntersuchungen durchgeführt werden. Wichtige Einflussfaktoren auf die Schraubverbindung sind die Tubus- und Schraubengeometrie, die Kernlochdurchmesser sowie der Werkstoff und in diesem Zusammenhang die Festigkeit, die Konditionierung oder Faseranteile. Außerdem gilt es, Montageeinflüsse zu beachten, wie die Genauigkeit des Schraubsystems oder die Drehzahl. Und nicht zuletzt sind auch die verschiedenen Belastungsarten im Einsatz wichtig, also Temperatur und Dynamik; ebenso die Belastungsdauer oder Umgebungsbedingungen. Alle diese Faktoren beeinflussen die Montagekennwerte einer Kunststoffdirektverschraubung. Unter Beachtung dieser Faktoren lässt sich anhand von einer exemplarischen, realen Schraubkurve darstellen, dass sich beim Einsatz der Remform II HS in einem Hochleistungskunststoff die Verschraubungswerte deutlich verbessern lassen. „Im Vergleich zur Remform-Schraube, die quasi als Standardlösung für technische Kunststoffe gilt, lässt sich mit der Remform II HS die Versagenskraft und das Versagensmoment um circa 20 Prozent steigern“, sagt Sinja Strobl, Product Engineer bei Arnold Umformtechnik.
Welches Biopolymer wurde untersucht?
Für die Verbindung von Kunststoffbauteilen eignen sich Kunststoffdirektverschraubungen als prozesssichere und kostenoptimierte Lösung. Doch wie sieht es mit Biokunststoffen aus? Arnold Umformtechnik und Bond-Laminates haben gemeinsam untersucht, inwieweit die Remform II HS für die Verschraubung von Tepex, einer eingetragenen Marke der Lanxess Group, geeignet ist. Tepex Dynalite 813-F250 (kurz: Tepex) ist ein zu 100 % biobasiertes Verbundmaterial mit einer Matrix aus PLA (Polymilchsäure), verstärkt mit Flachsfasern. Die Fasern werden aus dem Stängel der Flachspflanze gewonnen und lokal angebaut. Tepex-Materialien bestehen aus einer oder mehreren Lagen halbfertiger Textilerzeugnisse mit Endlosfasern (Flachs), die in eine Matrix aus PLA eingebettet sind. Diese sind vollständig imprägniert und verfestigt. Alle Fasern sind somit mit Kunststoff ummantelt, und das Material enthält keine Lufteinschlüsse. Tepex Dynalite bietet daher laut Hersteller eine maximale Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig sehr geringer Dichte. Für die Grundsatzuntersuchungen zur Eignung hinsichtlich Verschraubbarkeit wurden die Tepex-Materialproben als Platten zur Verfügung gestellt, die dann für die Schraubversuche in kleine Probenkörper zerteilt wurden. Aufgrund der Probenstärke von cirka 6 mm wurde eine Remform II HS mit einem Durchmesser von 2,5 mm als Verbindungselement eingesetzt. „Die effektive Einschraubtiefe wurde auf 2 x d eingestellt. In der ersten Versuchsreihe wurden in verschiedenen großen Kernlöchern Einschraub- und Überdrehversuche mit Vorspannkraft-Messung durchgeführt. Das bedeutet: Die Schraube wird eingedreht und bis zum Versagen der Verbindung angezogen“, beschreibt Sinja Strobl die Untersuchungen. Auf Basis der Ergebnisse dieser ersten Versuche wurde der geeignete Kernlochdurchmesser und das Anziehdrehmoment für Langzeitversuche festgelegt. Bei den Langzeitmessungen wurden die Proben dann mit dem zuvor definierten Anziehdrehmoment verschraubt und über eine Kraftmessdose die Vorspannkraftrelaxation gemessen.
Passen Schraube und Material zusammen?
Die ersten Ergebnisse der Einschraub- und Überdrehversuche sprechen dafür, dass sich mit der Remform II HS in das biobasierte Material sehr gut ein Muttergewinde mit höchster Tragfähigkeit formen lässt. „Es kam beim Verschrauben nicht zu Spannungsrissen oder unerwünschten Deformationen im Probenkörper. Das Tepex-Material hat uns wirklich überrascht. Denn im Vergleich zu den anderen geprüften Werkstoffen konnten damit die besten Versagensmomente erzielt werden, sogar höhere als mit einem PPS mit Glasfaserverstärkung“, fasst Strobl die Ergebnisse zusammen. Auch mit Blick auf die Prozesssicherheit kann die Kombination Remform II HS und Tepex punkten. „Durch die niedrigen Einschraubmomente und die hohen Überdrehmomente wird ein hohes Deltamoment erzielt, welches ein großes Prozessfenster zur Montage eröffnet und dem Anwender viel Sicherheit gibt“, so Strobl weiter. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind im Nachgang in die verschiedenen Tools des Digital Engineering-Angebots von Arnold Umformtechnik eingeflossen. Anwender können künftig noch besser bei der Auslegung und Konzeption von Direktverschraubung unterstützt werden, auch mit Blick auf biobasierte Verbundmaterialien.
Interview mit Sinja Strobl, Product Engineer, Arnold Umformtechnik
Wie unterscheidet sich eine Schraube zum Verbinden von Kunststoff, von Schrauben, mit denen andere Werkstoffe verbunden werden?
Sinja Strobl: Schrauben für die Kunststoffdirektverschraubung zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass sie eine höhere Gewindesteigung und deutlich kleinere Gewindeflankenwinkel haben als Schrauben für die Verschraubung von metallischen Werkstoffen. Der kleine Flankenwinkel ist wichtig, da beim Einschrauben in den Kunststofftubus Radialspannungen durch die Verdrängung des Werkstoffes entstehen. Da Kunststoffbauteile immer mit möglichst geringen Wandstärken dimensioniert werden, ist es wichtig, dass die Radialspannungen beim Einschrauben klein gehalten werden. Dies ist durch die Reduzierung des Flankenwinkels möglich (siehe Bild 1). Die große Gewindesteigung ermöglicht ein schnelles Fügen (Taktzeit, mehr Einschraubtiefe pro Umdrehung) und eine gute Materialumformung beim Verschrauben. Der größte Unterschied ist natürlich, dass bei der Direktverschraubung von Kunststoffen kein Gegengewinde im Einschraubteil benötigt wird, da die Schraube sich ihr Gegengewinde beim Eindrehen selbst formt. Dadurch entfallen kostspielige Prozessschritte oder zusätzliche Einlegeteile (Inserts).
Limitiert der Werkstoff der Fügepartner – Polymer/Metall – den Gewindedurchmesser der eingesetzten Schraube?
Strobl: Der Gewindedurchmesser der Fügepartner wird nicht durch die Werkstoffpaarung limitiert. Kunststoffdirektverschraubungen sind überall denkbar, wo Leichtbau und Kostenoptimierung eine Rolle spielen.
Welche spezifischen Anforderungen stellen verschiedene Industrien wie Automobil, Elektronik oder Bau an Schraubverbindungen in Biokunststoffen?
Strobl: Bisher existieren dazu noch nicht viele allgemeingültige Normen beziehungsweise Vorgaben in den Branchen. Viele unserer Kunden beginnen aktuell, sich nach und nach damit zu beschäftigen. Oftmals ist die Hitzebeständigkeit der Biokunststoffe noch ein Ausschlusskriterium. Die Anforderungen sind deshalb aktuell noch sehr anwendungsspezifisch und individuell. Es lässt sich aber sagen, dass die Anforderungen an die Schraubverbindung auf dem gleichen Niveau liegen wie bei der Verschraubung herkömmlicher Kunststoffe. Ziel ist vor allem eine hohe Prozesssicherheit bei der Montage, hohe Klemmkräfte und eine hohe Losdrehsicherheit. Die gefügten Bauteile sollen sich auch unter äußeren Einflüssen wie Temperatur, Feuchtigkeit oder dynamischer Last wie ein Bauteil verhalten.
Können Sie näher auf die Zusammenarbeit mit Bond-Laminates eingehen und wie diese Partnerschaft die Entwicklung und Optimierung der Schraube beeinflusst hat?
Strobl: Die Zusammenarbeit mit Bond-Laminates kam über eine studentische Arbeit in unserem Hause zustande. Da Nachhaltigkeit in unserer Unternehmensstrategie fest verankert ist, sind wir immer bestrebt, über Trends und Entwicklungen im Sinne der Nachhaltigkeit auf dem neuesten Stand zu sein und mit unseren Produkten einen Beitrag zu einer nachhaltigeren Verbindungstechnik zu schaffen. Wir recherchierten zunächst grundlegend zum Thema biobasierte und biologisch abbaubare Kunststoffe und machten uns auf die Suche nach einem geeigneten Lieferanten von Kunststoffbauteilen. Zu diesem Zeitpunkt (2022) gab es noch nicht viele (deutsche) Hersteller für Kunststoffe, welche biobasiert und biologisch abbaubar waren, die meisten konzentrierten sich auf Verpackungsmaterial und nicht auf Strukturbauteile für die Automobilindustrie. Unser Student stieß bei seiner Recherche auf Bond-Laminates und kam in Kontakt mit Herrn Genders (Entwicklungsleiter). Dieser konnte uns geeignete Materialproben für Schraubversuche zur Verfügung stellen – bei anderen Materialherstellern scheiterte es oft an der tatsächlichen Verfügbarkeit und an der geforderten Materialdicke/Einschraubtiefe. So entstand eine Entwicklungspartnerschaft und gemeinsam erarbeitete man immer weitere Versuchsszenarien (zerstörende Prüfung/Temperaturauslagerung/Langzeitmessung), um sowohl Material als auch Schraube auf Herz und Nieren zu testen. Durch die Versuche konnte Arnold viele Erkenntnisse zur Optimierung der Gewindegeometrie von Kunststoffschrauben erlangen, zum Beispiel geeignete Flankenprofile, Steigung und Kerndimensionierung der Schraube. Es stand bei den Versuchen immer die Optimierung der erzielbaren Verbindungsperformance (Prozesssicherheit/Vorspannkraft) im Vordergrund. Ziel war es, auf zweierlei Wegen ressourcensparend und nachhaltig unterwegs zu sein: Einmal durch den Einsatz des Biopolymers und zusätzlich durch den perfekten Fügepartner mit der performanceoptimierten Remform II HS. (Durch Performancesteigerung ist etwa ein Downsizing möglich, so werden weniger Schraubstellen notwendig. Das spart Gewicht und Kosten).
Warum fiel die Wahl auf dieses Biopolymer?
Strobl: Bei der Suche nach einem geeigneten Projektpartner war es uns wichtig, dass das Polymer nicht nur biologisch abbaubar, sondern auch 100 Prozent biobasiert ist. Außerdem sollte das Polymer ähnliche Materialeigenschaften wie gängige technische Kunststoffe aufweisen, da wir einen Vergleich zu den am häufigsten verwendeten Kunststoffen im Automobil- und Industriesektor ziehen wollten. Tepex Dynalite (813F250) ist zudem mit Flachsfasern verstärkt, einem Naturstoff, der nachwachsend ist, wenig Dünger und Pestizide beim Anbau benötigt und lokal (EU) angebaut werden kann. Außerdem wollten wir mit einem Entwicklungspartner in Deutschland zusammenarbeiten, was auf Bond-Laminates mit Sitz in Brilon zutraf.
Wie unterscheidet sich die Performance der Schraube in anderen biobasierten Materialien, die beispielsweise unverstärkt sind?
Strobl: Bisher wurde im Bereich der Biokunststoffe die Schraube nur in Tepex Dynalite (813F250) verschraubt. Unverstärkte Biokunststoffe wurden aufgrund der „schlechteren“ Materialeigenschaften (hauptsächlich Festigkeit) nicht getestet.
Für welche Anwendungen ist die Schraube bereits im Einsatz?
Strobl: Die Remform II HS wird im Automobilbereich in Scheinwerfern, Spiegeln, Pumpen, Türen und im Kofferraumbereich zur Verschraubung von Gehäusen und Kunststoffstrukturen verwendet. Im Industriebereich sind Gehäuse, Statoren, Leiterplatten, Elektromotoren usw. gängige Anwendungsgebiete. Die Schraube eignet sich durch ihr spezielles Gewindeprofil für die Direktverschraubungen von nahezu allen gängigen Kunststoffmaterialien (Thermoplaste, Duroplaste, TPEs, additiv gefertigte Kunststoffbauteile und Biokunststoffe).
Inwiefern beeinflussen globale Trends und Vorschriften im Bereich Nachhaltigkeit und Umweltschutz die Entwicklung neuer Schraubtechnologien bei Arnold Umformtechnik?
Strobl: Eine der fünf strategischen Stoßrichtungen unseres Unternehmens ist das Thema Nachhaltigkeit. Dieses spiegelt sich auch in der Entwicklungsarbeit neuer Verbindungselemente und Fügeverfahren wider. Um unsere Maßnahmen in diesem Zusammenhang zu strukturieren, haben wir die Initiative ACO2 Save ins Leben gerufen. Damit unterstützen wir die Anforderungen der Gesellschaft und des Marktes nach einer Optimierung des Ressourceneinsatzes und der Reduktion von CO2. Im Detail bedeutet das beispielsweise, dass mit neu entwickelten Verbindungselementen im Bereich der Direktverschraubung ein Downsizing möglich ist. Wo früher eine M8-Schraube notwendig war, kann nun eine M7-Schraube eingesetzt werden – bei gleicher Verbindungsperformance. Das bedeutet weniger Bedarf an der Ressource Stahl und damit verbunden auch ein geringerer CO2-Footprint in der Applikation des Kunden. Ein weiteres Beispiel dafür ist, dass wir bereits im Entwicklungsprozess die Kunden darin beraten, ein Fügeelement so zu konfigurieren, dass es umformtechnisch herstellbar ist und nicht, wie vielfach in der Vergangenheit spanabhebend produziert werden muss. Damit verbunden ist ebenfalls eine deutliche Senkung des Ressourceneinsatzes und der CO2-Emissionen. Das sind nur zwei Beispiele, wie sich globale Trends auf die Entwicklung der Verbindungstechnologie auswirken.
Quelle: Arnold Umformtechnik
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Auf dem Weg zu einer klimaneutralen Zukunft müssen verschiedenste Rädchen ineinander greifen. Doch wie schaffen wir es, die Dekarbonisierung unserer Gesellschaft umzusetzen? Biokunststoffe sind ein wichtiger Hebel um diesem Ziel näher zu kommen. Doch was wird unter einem Biokunststoff eigentlich verstanden? Wo werden diese bereits eingesetzt? Und ist "Bio" wirklich gleich "Bio"? Wir geben die Antworten. Alles, was Sie zu dem Thema wissen sollten, erfahren Sie hier.
